Связанная и несвязанная вода в фосфолипидной эмульсии. Способы обезвоживания фосфолипидной эмульсии

 

Поверхности  горных пород  очень хорошо смачиваются  водой,  т. е. являются  гидрофильными.  Смачивание  происходит благодаря  электростатическому  притяжению  и  это  обуславливает  повышение  плотности  воды,  а  также  снижение  подвижности  ее  молекул  (тангенциальности),  в  слоях  всего лишь  в  несколько  нанометров.  В  больших  объемах  это  проявляется,  как  повышение  вязкости   воды.

 

Вязкость  связанной  воды  снижается   при  повышении  температуры.  При  температуре  70 С,  вода  становится  подвижной  и  текучей,  как  и  свободная  вода.  И  диаметрально  противоположное  явление происходит  со  связанной  водой  при  понижении  температуры. Замерзает  она  при  гораздо  более  низких  температурах,  чем  О  градусов  С.  Чем  тоньше  поверхностная  пленка  воды,  тем  ниже  ее  порог  замерзания.  Таким  образом,  жидкая  вода  может  находиться  в  горных  породах  при  намного  меньших  температурах,  чем  0 С.

 

Еще  одним  интересным  свойством  связанной  воды,  является  ее  пониженная  растворяющая  способность.  Она  растворяет  меньше  солей,  чем  свободная  вода, это обусловлено  ее  измененной  структурой.    Аномальное  свойство  измененной  воды  было  положено  в  основу  теории  Б.В. Дерягина  о  «не  растворяющем  объеме»,  играющей  большую  роль  в  изучении  процессов  миграции  веществ  в  литосфере.[5]

 

Понижение диэлектрической  проницаемости связанной  воды  - следующее  её  аномальное  свойство.  В  зависимости  от  толщины  водной  пленки,    диэлектрическая  проницаемость  связанной  воды,  колеблется  от   3 до  40,  тогда,  как  обычной  воды  равна  81.

 

Изменения  структуры  связанной  воды,  изменяют  и  ее  температуропроводность.  Чем  тоньше  слой  пленки  воды,  тем  меньше  температуропроводность.

 

Аномальные  свойства  связанной  воды  приковывают  к  себе  пристальное  внимание  многих  ученых  мира,  изучающих  категории  воды,  присутствующие  в  горных  породах.[5]

 

 

1.4. ВОДА В ФОСФОЛИПИДНЫХ ДИСПЕРСИЯХ. [4]

 

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что без  воды не возможна наша жизнь, но, возвращаясь  к теме, стоит отметить, что физико-химические характеристики биологических мембран, основу которых составляют фосфолипидные бислои, определяют механизмы протекания многих важных биологических процессов. В последнее десятилетие усилия многих лабораторий были направлены на исследование этих характеристик с помощью различных модельных систем, среди которых мультиламеллярная фосфолипидная дисперсия является одной из самых популярных . Эта система, самопроизвольно образующаяся при определенной концентрации фосфолипидных молекул в воде, представляет собой стопку плоских параллельных бислоев, разделенных тонкой прослойкой воды или водного электролита. Как известно, свойства воды в таких тонких слоях существенно отличаются от свойств объемной воды . Если в водной фазе фосфолипидных дисперсий присутствуют растворенные ионы, то около каждой липидной поверхности образуется двойной электрический слой (ДЭС) [4].

На больших расстояниях (когда толщина водной прослойки превышает 3 нм) взаимодействие фосфолипидных бислоев описывается теорией Дерягина – Ландау- Фервея -Овербека. На меньших расстояниях наблюдается сильное отклонение от предсказаний теории ДЛФО, что подтверждает высказанную Б. В. Дерягиным еще в 30-е годы гипотезу о существовании специфических сил между поверхностями в водном электролите на малых расстояниях и отличающихся от электростатических и вандерваальсовых сил. Эти силы получили название структурных сил, или структурной составляющей расклинивающего давления .

Структурные силы - это одно из проявлений эффектов воздействия границы раздела диэлектрик/электролит на структуру водного электролита. В этой связи возникает целый ряд проблем, затрагивающих взаимодействие поверхности с омывающим ее электролитом.[4]

Термин «липиды» объединяет широкий класс химических соединений. Встречающиеся в литературе определения этого термина неоднозначны. Обычно к липидам относят низкомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из гидрофильной полярной головки и одного или нескольких гидрофобных хвостов . Последние представляют собой небольшую углеводородную цепь . Фосфолипиды были изучены наиболее тщательно, так как они составляют основу биологических мембран. Полярная головка фосфолипидной молекулы состоит из фосфатной и аминной групп, соединенных короткой углеводородной цепочкой. Аминная группа заряжена положительно, а фосфатная - отрицательно, т. е. головка фосфолипидных молекул обладает довольно значительным электрическим дипольным моментом, который и обусловливает их гидрофильность. Отметим, что определенный вклад в суммарный дипольный момент головки вносят также группы С = 0. Головки большинства фосфолипидов могут диссоциировать на ионы, приобретая при этом, помимо дипольного момента, электрический заряд - обычно отрицательный. [4]

На поверхности воздух - вода фосфолипидные молекулы образуют мономолекулярную пленку, обращенную головками к воде и хвостами в воздух. При увеличении концентрации липидов часть молекул уходит в глубь воды, где при достижении определенной «критической концентрации мицеллообразования» образуются различные жидкокристаллические структуры — кубическая, гексагональная или ламеллярная . Общий принцип построения этих структур заключается в том, что полярные головки стремятся контактировать с водой, а углеводородные хвосты— друг с другом. Реализация той или иной мезофазы зависит от концентрации в системе, температуре, рН и ионной силы раствора.

В ламеллярной фазе фосфолипидные  молекулы образуют протяженные плоские  слои — ламеллы, разделенные водой. Каждый такой слой состоит из двух фосфолипидных монослоев,

Обращенных друг к другу  своими гидрофобными хвостами, а к воде — гидрофильными головками . Подобные бислои входят в состав биологических мембран, поэтому такая система является хорошим модельным объектом, позволяющим исследовать, в частности, взаимодействие и слияние клеточных мембран .

Поверхность фосфолипидных  бислоев обладает особенностью (отличающей ее от обычных коллоидных структур), которая в значительной степени  осложняет теоретический анализ межфазных явлений в системе. Эта особенность связана с тем, что область полярных головок проницаема для молекул воды и ионов электролита . В этой области перемешаны как источники электрических полей, принадлежащих самой поверхности, так и заряды ионов и электрические диполи молекул воды. В таких системах трудно выделить четкую границу раздела между фосфолипидной фазой и электролитом. [4]

«Поверхностные» источники электрических полей, по существу, распределены в некотором приповерхностном слое. Термин «поверхностные» в данном случае означает, что они, обладая некоторой мобильностью в этом слое, сохраняют химическую связь с определенными группами липидной поверхности. Учет этой особенности дает возможность рассмотреть целый ряд новых явлений . В частности, оказалось, что поверхностные диполи существенно влияют на структуру ДЭС и даже образуют ДЭС вблизи электрически нейтральной поверхности.

Другой аспект анализа  структуры ДЭС вблизи фосфолипидных бислоев связан с проблемой адекватного описания электролита. В последние годы было показано , что водный электролит обладает свойством нелокальной поляризуемости, влияние которой наиболее значительно в системах, содержащих в качестве источников электрических полей поверхностные диполи . В этой связи возникает вопрос о влиянии нелокальной поляризуемости водного электролита на структуру ДЭС вблизи фосфолипидной поверхности. [4]

 

1.5. ГИДРАТАЦИЯ ФОСФОЛИПИДОВ ИЗ МАСЕЛ . [3]

 

Еще один важным аспектом при  производстве масла является процесс  гидратации фосфолипидов из масел.

На гидратацию поступает  нерафинированное масло с содержанием механических примесей не более 0,1 %. Назначение процесса — максимально извлечь из масел фосфолипиды и другие гидрофиль ные вещества. После осуществления процесса получают гидратированное масло и фосфатидный концентрат.

В общем виде фосфолипиды  имеют структуру А.( см. рис.15)

 

 

Рисунок 15. Структура фосфолипид

 

Радикалы R₁ и R₂ представляют собой углеводородные остатки насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, R — азотсодержащую группировку или не содержащий азота фрагмент; В — остаток инозитола (см.  табл. 2) [3]

 

Таблица 2. Основные группы фосфолипидов

 

 

R	Наименование  фосфолипида	Сокращенное  обозначение
–H	Фосфатидная кислота	ФК
–CH2CH(NH2)–COOH	Фосфатидилсерин	ФС
–CH2CH2NH2	Фосфатидилэтаноламин	ФЭА
–CH2CH2NH–CH3	Фосфатидилмонометилэтаноламин	ФМЭА
–CH2CH2N(CH3)2	Фосфатидилдиметилэтаноламин	ФДЭА
–CH2CH2N+(OH)(CH3)3	Фосфатидилхолин	ФХ
–CH2–CHOH–CH2OH	Фосфатидилглицерин	ФГ
B	Фосфатидилинозитол	ФИ

 

 

Молекулы фосфолипидов имеют  дифильный характер; гидрофобная  часть представлена радикалами жирных кислот, а гидрофильная — полярными  группами. Поэтому фосфолипиды являются поверхностно-активными веществами (ПАВ) [3]

Гидроксилсодержащие фосфолипиды  могут взаимодействовать с ионами металлов; аминосодержащие фосфолипиды  при определенных условиях будут  взаимодействовать с углеводами, образуя темно окрашенные соединения (меланофосфолипиды). Вследствие названных взаимодействий свойства масел будут изменяться, и поэтому фосфолипиды выделяют на начальном этапе рафинации. Однако сами фосфолипиды имеют ценные физиологические свойства , и поэтому предусматривается производство из выделенных фосфорсодержащих соединений самостоятельных продуктов — фосфатидных концентратов.

В основу промышленного метода выделения фосфолипидов положена их способность взаимодействовать   с водой. Процесс гидратации фосфолипидов предусматривает введение в масло гидратирующего агента (воды, водных растворов солей, кислот, щелочей) при тем пературе 45-65 °С при интенсивном перемешивании. Молекулы фосфолипидов, обладающие большей гидрофильностью, диффундируют из объема масла, насыщая слой на границе раздела фаз. Соотношение фосфолипиды : вода должно быть в пределах (1 : 1)-(1 : 2). При введении больших количеств воды возможно образование эмульсии типа «жир в воде», разделение которой затруднительно. Технология гидратации включает следующие основные операции (этапы): [3]

• смешение масла с гидратирующим агентом; температуру процесса и количество агента определяют  в зависимости от природы и качества масла;
• экспозиция смеси масло—гидратирующий агент для обеспечения процесса коагуляции фосфолипидов;
• разделение образовавшихся фаз: гидратированное маслофосфолипидная эмульсия;
• высушивание гидратированного масла и получение продукта;
• высушивание фосфолипидной эмульсии с получением фосфатидного концентрата или растительных пищевых фосфолипидов.

 
При необходимости предусматривается  также удаление негидратируемых  форм фосфолипидов.

Оптимальная температура  гидратации зависит от природы и качества масла. Для подсолнечного и арахисового масел она составляет 50–60 °С, для соевого и кукурузного –60-70 °С. При использовании более высоких температур возрастает растворимость в масле фосфолипидов. Для завершения процесса коагуляции и получения достаточно крупных частиц осуществляют экспозицию системы, продолжительность которой обычно составляет 10–30 мин. В различных схемах гидратации для непрерывного дозирования и смешения гидратирующего агента и масла используют струйные смесители или реакторы-турбулизаторы.

Для осуществления разделения двухфазной системы используют сепараторы, тарельчатые или пластинчатые отстойники.

В гидратируемых маслах всегда остается 0,1–0,2 % фосфолипидов. Для максимального удаления фосфолипидов используется обработка масла небольшими количествами (0,1–0,2 % от масла) фосфорной или лимонной кислоты.[3]

Присутствие влаги в масле  интенсифицирует окислительные  процессы, поэтому, если не предусматривается  дальнейшая очистка, гидратированное  масло подлежит обязательной сушке. В непрерывных схемах гидратации используют непрерывно действующие  вакуум-сушильные аппараты колонного  типа. Масло поступает в аппарат  при температуре 85–90 °С, и сушку осуществляют при давлении не более 2,66 кПа.

Фосфолипидная эмульсия имеет следующий состав, %: вода  55–70, фосфолипиды 15–30, масло 15–20. Чтобы не допустить нежелательных химических и микробиологических процессов, эмульсию подвергают высушиванию. Присутствие воды влияет на структурно-механические свойства концентрата. Только при влажности ниже 1 % концентрат обладает текучестью. Эмульсию высушивают при температуре 75–90 °С  и давлении 2,66 кПа в горизонтальных непрерывно действующих ротационно-пленочных сушильных аппаратах. [3]